沉积盆地超深层有机-无机复合生烃机理及地质模式

全球范围内超深层油气的不断发现,对经典的生烃理论提出了挑战,外源氢加入的有机-无机复合生烃过程引起了广泛关注。基于地质观察统计数据,分子氢在沉积盆地中分布广泛,形成机制复杂。在地质环境中,水和水-岩反应、深部流体等途径产生的无机氢是最主要的外部氢源。可控加氢模拟实验揭示了沉积盆地的氢逸度水平是调控烃类产物生成的重要因素之一,并且干酪根的加氢裂解是沉积盆地中易于发生的生烃过程。外源氢介入生烃过程的前提是环境氢逸度大于沉积有机质本身的氢逸度,其有效范围受生烃母质化学组成和结构的制约,约起始于生油高峰之后,约终止于沉积有机质H/C=0.3之时。亦即,有机-无机复合生烃作用是沉积盆地超深层生烃的有效途径。在其有效发生的范围内,油气资源类型依然由生烃母质类型(化学组成和结构)、成熟度和受热历史等因素决定,具有明显的阶段性和不同于经典理论的生烃模式。外源氢的参与,在成熟阶段可小幅度提升生油产率;在高—过成熟阶段可显著增加天然气产率;在高成熟阶段,加氢脱烷基作用最大可增加50%的轻质油/凝析油产率;在过成熟阶段,加氢脱甲基-开环作用最大可增加约5倍甲烷产率。有机-无机复合生烃模式的确立,丰富了传统生烃理论的内涵,奠定了超深层油气生成的理论基础,拓展了油气勘探的视野。

氢逸度对沉积有机质热演化的影响:超深层生烃的启示

沉积有机物的生烃实质是涉及内部(“有机”)氢转移的歧化反应.其中,初始沉积有机物中C的平均化合价为-1~-2.其生成的含C产物包含了高达+4价的氧化产物和低至-4价的还原产物.尽管模拟实验证实外源(“无机”)氢的贡献可促使沉积有机物生烃产率的增加,但相关机理和外源氢的潜在来源仍不清楚.在350℃和40MPa条件下,定量分析了氢逸度增加对寒武-奥陶系Alum页岩生烃行为的影响.实验体系中氢逸度水平由磁铁矿-赤铁矿氧化还原缓冲剂控制.实验证实,氢逸度的提高会增加整体的烃类产率,并抑制CO_(2)的生成.同时会造成甲烷δ^(13)C值变重,CO_(2)、乙烷和丙烷δ^(13)C值变轻的现象.这表明,沉积盆地中受水-岩反应的制约,较高的氢逸度会通过“加氢裂解”路径促进烃类的生成.这种基于有机-无机相互作用的生烃机理可能普遍存在于沉积盆地中较深的(约4~10km)地层中.随着深度的增加,沉积盆地内受控于水-岩反应的氢逸度水平也会升高.这可能使得高-过成熟沉积有机物具有再活化生烃的潜力,对应的生烃下限也会比传统理论预测深度更深.可见,与沉积有机物的氢指数类似,烃源岩的生烃范围还受无机矿物缓冲体系对应氢逸度和缓冲容量的制约.因此,在石油勘探中同样需要考虑无机环境因素.新认识拓展了当前石油生成理论的内涵,为石油勘探领域扩大到沉积盆地超深层奠定了理论基础.